波导显示器件是近年来快速发展的一类新型显示器件,在增强现实显示和透明显示等领域成为了近年来的研究热点。基于波导的显示器件具有体积紧凑、结构轻巧的优势,能够方便集成于各类可穿戴设备,在娱乐,军事,医疗,导航等领域具有广泛应用。波导显示器件中的耦合元件是系统中最关键的组件,在耦合输入和输出中对光进行灵活调制,以实现多种多样的基于波导的显示功能。本论文研究和设计了多种基于表面浮雕光栅和超构表面的耦合元件,既着眼于解决现有波导显示器件中存在的问题,也探索了更加丰富的显示功能。论文主要的创新内容如下:1.设计了镀有高折射率薄膜的浮雕耦合光栅,实现了视场角范围内光线的均匀耦合。基于此类耦合光栅设计了两个波导显示系统,分别解决了出瞳内照度分布不均的问题和多色显示视场角范围受限的问题;将浮雕光栅嵌入到压印胶中,设计了图形化的多层嵌入式耦合光栅,实现了基于平板波导的多色和多图案透明显示2.研究和设计了偏振复用的超构表面耦合输入光栅,该光栅能够根据圆偏振光的不同手性,实现相反方向的波导耦合输入,以此将入射光携带的立体视差图像分别投影到双眼中,形成立体视觉;此外,将此偏振复用耦合超构表面光栅拓展应用到表面等离激化基元的激发中,提出了的普遍化的Kretschmann结构,实现了在不同偏振光入射下高效、单向的表面等离极化激元的激发。3.提出了基于平板波导的多通道超构表面全息成像方法,通过收缩超构表面单元的周期到深亚波长尺寸,将多个目标图像编码到了倏逝波区域并能在导波入射下分别成像;处于不同通道的全息像可以通过改变入射导波的方位角和偏振态行切换。